一次華南低渦西移引發防城港大暴雨的診斷分析

陳紹河,黃　瀅

(廣西壯族自治區防城港市氣象局,廣西　防城港　538001)

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一次華南低渦西移引發防城港大暴雨的診斷分析

陳紹河,黃瀅

(廣西壯族自治區防城港市氣象局,廣西防城港538001)

利用常規氣象資料和1°×1°NCEP再分析資料，采用天氣學診斷方法，從大氣環流形勢和物理量特征方面對廣西防城港市沿海地區9月3日一次華南低渦影響下產生大暴雨的原因進行診斷分析，結果表明：①副高西伸引導華南低渦西移是造成此次大范圍暴雨的直接原因；②低渦右側輻合上升氣流誘發副高邊緣不穩定能量釋放，有利于增加降雨強度；③本次華南低渦非對稱結構，左側風小，右側風大，但系統深厚，西移過程中發展并在防城港沿海一帶形成明顯的氣旋性拐點；④低空急流帶隨著低渦西移而向西移動，強降水出現在低渦右側和低空急流左側的重疊區域；⑤垂直方向上的螺旋度在強降水產生期間和產生后量級相差10-3hPa·s-2，在強降雨預報中有很好的指示作用。

大暴雨；華南低渦；副高邊緣；低空急流；螺旋度

1　引言

低渦是影響華南地區較為強烈的暴雨系統，其造成的強降雨常常可引起山洪爆發、滑坡、泥石流等自然災害，給國民經濟和人民生命財產造成巨大損失。影響華南地區的低渦主要分為兩類，一類是西南低渦，一類是華南低渦。對于西南低渦，很多專家和學者進行了較為全面的深入研究。顧欣等[1]通過對西南低渦與黔東南州強降水的關系分析得出西南低渦是西南地區低值系統中最活躍的系統，它的加強、發展、移動，常產生強降水天氣。彭本賢等[2]指出，汛期華南西部發生大暴雨，尤其是特大暴雨，大多數也與西南低渦有關。還有很多學者[3-5]對西南低渦影響下產生暴雨的環流形勢以及水汽通量、散度、螺旋度等物理量方面進行了全面研究。對于華南低渦，韋統建等[6]在對有、無暴雨的華南低渦的流場與降水分布進行了對比分析，并提出了華南低渦的流場結構特征和暴雨分布形式。王海東等[7]則指出華南低渦在沿海和內陸地區的水汽輸送源地有差異；來自西太平洋的偏東氣流在沿海地區對華南低渦暴雨有增幅作用。分析大量文獻發現，相比西南低渦，對華南低渦研究較少，而且很少有對華南低渦造成暴雨的環流形勢、物理量等方面進行分析。因此很有必要對華南低渦進行深入研究。

本次暴雨過程就是副高西伸引導華南低渦西移造成了防城港沿海地區出現一次大范圍暴雨過程。由于華南低渦前期降水較弱，從省臺至市臺預報其西移影響時降水不會太強，結果造成暴雨的漏報。通過分析本次過程的環流形勢、影響系統和具有代表性特征的物理量等資料，找出其出現強降雨的本質原因，為下次預報提供基礎。

2　暴雨過程實況

2015年9月3日，防城港市沿海地區普遍出現了暴雨，局部大暴雨，沿海地區42個自動站中雨量超過200 mm有3站，100～200 mm有16站，50～100 mm有16站，其中江平鎮、城北社區和那梭鎮單日雨量均超過200 mm。防城港沿海中部地區出現大暴雨，強降水主要出現在9月2日晚—3日早上，其中暴雨中心江平鎮1 h雨量達到了51.9 mm。

3　環流形勢特征

3.1低渦觸發副高邊緣不穩定能量釋放

500 hPa 9月1日高緯度地區大氣環流呈兩槽一脊的環流形勢，弱低渦環流還在桂東南地區，隨著副高西伸，低渦環流逐漸西移南落；2日20時(圖1a)，副高進一步西伸北抬，防城港正好處于副高邊緣，脊點位于25°N、106°E附近，脊點下方附近存在低渦，非常有利于觸發副高邊緣不穩定能量，同時副高與低渦之間由于氣壓差使得低渦右側偏南氣流明顯加大，有利于水汽輻合和不穩定能量源源不斷往防城港上空輸送。3日02時(圖1b)，副高控制華南地區，低渦西移南落到北部灣，但588線卻形成閉合將低渦包裹，這種形勢非常少見，少見之處在于588線范圍內一般是高壓系統，而現在卻是一個低渦，查找大量文獻表明，這種形勢配置仍未有專家或學者深入研究；分析防城港附近的北海探空站T-logp圖(圖略)可以看到，9月2日02時北海探空站cape值為1 017.25 J/kg，而到3日08時北海探空站cape值增大到2 282.0 J/kg，說明暴雨期間有源源不斷的能量往防城港上空輸送；自動氣象站資料顯示，1 h雨強最大值出現的時間在3日03時，1 h雨強達到了51.9 mm，表明副高邊緣巨大的不穩定能量得到釋放。3日08時，副高仍控制華南，低渦繼續西移到越南北部，防城港仍受西南與東北輻合氣流影響，有利于抬升運動，但已經不處于副高邊緣，降雨強度呈減弱趨勢；3日14時，低渦已經西移到越南中部地區，防城港轉為一致偏南氣流控制，3日20時北海探空站cape值已經減弱到1 259.5 J/kg，降雨強度緩慢趨于結束。

可見，副高西伸北抬過程中，華南低渦右側輻合上升氣流觸發副高邊緣巨大的不穩定能量釋放，為暴雨的發生發展提供了強大的動力和能量條件。

圖1　2015年9月2日20時(a)和9月3日02時(b)500 hPa位勢高度(單位:dagpm)和風場圖(單位:m/s)(*為防城港市)Fig.1　The superposition chart of potential height(unit: dagpm)and wind field (unit: m/s)at 500 hPa at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 2∶00 ,September 3,2015(b).(The"*"is the location of Fangchenggang.)

3.2低渦系統深厚

劉國忠等[8]研究指出，在移動過程中維持和發展的低渦，才會帶來大范圍的致洪暴雨。

分析925～500 hPa的環流形勢(圖2)，可以明顯看到這次華南低渦有個特點，就是低渦左側風速較小，右側氣流逐漸加大，并不對稱，較為少見，沒有經驗的預報員有可能覺得這樣的低渦強度偏弱，造成降水也偏弱。但仔細再分析可以看到，暴雨期間整個中低層一直存在低渦系統，說明低渦系統并不弱，較為深厚，而且隨著副高西伸，低渦與副高之間風速明顯加大，使得低渦右側氣流達到了急流12 m/s左右的強度，有學者認為低渦東南側的西南急流的加強，引起低層強輻合是低渦得以發展和維持的重要原因，為暴雨的發生提供了動力條件和水汽輸送[9-11]，也就是說在這次低渦西移的過程中，華南低渦是發展加強的。此外，這支低渦右側氣流到達廣西南部時在防城港一帶形成明顯的氣旋性拐點，氣流輻合強，負散度小，正渦度大，有利于大量的水汽匯集到沿海地區，為防城港大范圍強降雨的產生提供重要的動力抬升作用。實況降水資料表明，華南低渦在桂東南地區時，降水不大，以中雨降水為主；當其西移發展經過西南地區時，大部地區出現暴雨，降水明顯增大；而且低渦東南象限就是強降雨落區，防城港正好位于東南象限內。

華南低渦非對稱結構，左側風小，右側風大，低渦右側氣流到達廣西南部時在防城港一帶形成明顯的氣旋性拐點；并且系統深厚，西移過程中發展，為防城港大范圍強降雨的產生提供重要的動力抬升作用。

3.3防城港位于低渦右側和低空急流左側重疊區域

許多學者認為[12-13]：低空急流對于暴雨的形成，一方面起著輸送水汽和能量的作用，另一方面又有助于維持必要的動力學條件。

9月3日02時(圖3a)，在華南低渦的右側，925 hPa出現一支12 m/s左右的東南低空急流帶，它從南海經過海南，再穿過北部灣海面，到達桂南沿海地區；并且低空急流帶隨著低渦西移而向西移動；3日08時(圖3b)，850 hPa偏南急流帶已經移到防城港上空，防城港處于低空急流的左側。有研究指出，低空急流左側是正渦度、層結不穩定和輻合對應的上升運動區。此次過程低空急流處于低渦右側，而低渦右側往往又是水汽供應和輻合抬升集中區域，防城港恰恰位于兩者重疊區域內，顯然這種形勢配置非常有利于強降雨的發展發生。

圖2　2015年9月3日08時925 hPa(a)風場(單位:m/s)和700 hPa(b)風場(單位:m/s)(*為防城港市)Fig.2　Wind field (unit: m/s) at 925 hPa(a) and at 700 hPa(b) at 8∶00 ,September 3,2015.(The"*"is the location of Fangchenggang.)

圖3　2015年9月3日02時(a)925 hPa風場(單位:m/s)和9月3日08時(b)850 hPa 風場(單位:m/s)(*為防城港市；↑為急流)Fig.3　Wind field (unit: m/s) at 925 hPa at 2∶00 ,September 3,2015(a)and at 850 hPa at 8∶00,September 3,2015(b). (The"*"is the location of Fangchenggang; The"↑"is low-level jet.)

3.4南北向等壓線

地面形勢可以看到，原位于廣西東南部和廣東西南部的弱低壓逐漸西移，2日低壓中心在桂西南地區，防城港剛好位于中心附近，降水不大；當其西移南落到越南北部時，防城港正處于其右側，同時在廣西有明顯的南北向等壓線生成，并一直維持到3日20時。有研究指出[14]，地面形成南北向等壓線有利于南北熱量交換，形成不穩定能量，對降雨有增幅作用。

4　理量場特征

4.1水汽通量分析

2015年9月3日02時(圖4a)，925 hPa水汽通量大值區位于海南以東的南海上，強度達到了18 g·s-1· hPa-1·cm-1，大值區呈東南-西北走向，其走向與華南低渦右側的流場方向基本一致；還可以看到一條“濕舌”從南海經過雷州半島到達桂東南地區，此時防城港市水汽通量散度較弱，小值只有6 g·s-1· hPa-1·cm-1，水汽通量等值線密集帶正好就在防城港市范圍內，自動站監測資料表明，9月2日20時—3日02時防城港已經有2個自動氣象觀測站出現大暴雨，5個自動氣象觀測站出現暴雨；3日08時水汽通量中心分為兩支，一支略微向東移動，一支向西移動到北部灣海面，強度仍然維持，形成的兩條“濕舌”均指向廣西沿海地區，表明有源源不斷水汽從南海和北部灣輸送到防城港上空，防城港仍位于水汽通量等值線密集帶內，此時降雨強度維持，這也證明強降水的落區不是水汽通量最大值中心區域，而是水汽通量梯度較大區域附近[7]；3日14時(圖4b)以后水汽通量中心大值區在防城港市上空，強度為14 g·s-1· hPa-1·cm-1，水汽通量梯度大的地方位于越南北部，強降水落區也西移，防城港市強降水也趨于減弱。

圖4　2015年9月3日02時(a)和3日14時(b)925 hPa水汽通量(單位: g·s-1· hPa-1·cm-1)(*為防城港市)Fig.4　The water vapor flux(unit: g·s-1· hPa-1·cm-1) at 925 hPa at 2∶00 ,September 3,2015(a) and at 14∶00,September 3,2015(b).(The"*"is the location of Fangchenggang.)

4.2水汽通量散度垂直剖面分析

如果沒有水汽輻合集結，將難以形成持續性的強降水。沿107°E作暴雨期間水汽通量散度垂直剖面圖，發現2015年9月2日20時(圖5a)，在20～21°N間，900 hPa以下有水汽通量散度負值中心區，強度達到-40×10-6g·s-1·hPa-1·cm-2,并且700 hPa以下都有水汽輻合存在，表明暴雨前期防城港中低層水汽充沛；3日08時(圖5b)，在20～21°N間，水汽通量散度負值中心仍在900 hPa以下，但水汽輻合層結上升到了500 hPa，表明華南低渦西移過程中發展，濕層隨之上升；3日14時以后，700 hPa以下都轉為正的水汽通量散度，只有500 hPa仍有弱的水汽輻合，此時降水也趨于減弱。可見，低層的水汽通量散度較好地反映這次過程的水汽輻合程度，暴雨期間水汽輻合層結隨著華南低渦西移發展而增大，濕層厚，有利于強降水發生。

4.3垂直速度垂直剖面分析

沿華南低渦移動方向(21°N，自東向西)作垂直速度剖面圖，2015年9月2日20時，在107～109°E之間，垂直上升運動深厚，達到了100 hPa以上，但數值較弱，中心只有-4×10-3hPa·s-1；3日02時(圖6a)，107°～109°E之間，600 hPa以上上升運動加強，600 hPa以下減弱，并且在111°E附近出現一個強度-10×10-3hPa·s-1上升運動中心；3日08時(圖6b)，隨著華南低渦西移，上升運動中心西移至107°E附近，強度高達-38×10-3hPa·s-1，中心在700 hPa，達到了桂南大暴雨上升運動10-2hPa·s-1這個量級；3日14時，600～800 hPa已經為下沉氣流控制，系統進一步減弱破壞。以上分析表明，華南低渦西移時，強度是發展加強的，系統較為深厚。

4.4垂直螺旋度分析

螺旋度是一個描述環境風場氣流沿運動方向的旋轉程度和運動強弱的物理參數，它反映了大氣的運動場特征，能夠很好地描述大氣運動的性質和特點[15]。在 P坐標系中展開后,垂直方向上的螺旋度計算方法為：

圖5　2015年9月2日20時(a)和3日08時(b)水汽通量散度沿107°E垂直剖面圖(單位：g·s-1·hPa-1·cm-2)Fig.5　The vertical cross-section of water vapor flux divergence along 107°E at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015. (unit: g·s-1·hPa-1·cm-2)

圖6　2015年9月3日02時(a)和3日08時(b)垂直速度沿21°N垂直剖面圖(單位：hPa·s-1)Fig.6　The vertical cross-section of vertical velocity along 21°N at 02∶00 ,September 3,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015. (unit: hPa·s-1)

Hp= -ξ×w

式中ξ表示渦度，w表示垂直速度，Hp表示垂直螺旋度，單位為：10-6Pa·s-2。

沿華南低渦移動方向(21°N，自東向西)做垂直螺旋度剖面圖，9月2日20時(圖7a)，107～109°E之間，300 hPa以下有一個強度為20×10-6hPa·s-2正垂直螺旋中心，300 hPa以上位于-15×10-6hPa·s-2負垂直螺旋中心，此時防城港市強降水還未開始。隨著副高西伸引導低渦西移，3日02時，正垂直螺旋中心在500 hPa，并加強到-50×10-6hPa·s-2。3日08時(圖7b)，垂直螺旋中心在600 hPa附近，但強度已經高達160×10-6hPa·s-2，較強降雨前期相差10-3hPa·s-2左右；自動氣象站資料統計顯示，3日02時—08時這個時段共出現6站大暴雨，18站暴雨，其中防城那梭鎮9月3日03時降雨量最強達到了59.5 mm，這表明防城港此時段降雨范圍均在加大，降雨強度最強；3日14時，原正垂直螺旋中心變為負垂直螺旋，強度為-10×10-6hPa·s-2，雨量資料顯示，此時降水主要以小雨為主。

圖7　2015年9月2日20時(a)和3日08時(b)螺旋度沿21°N垂直剖面圖(單位：10-6 Pa·s-2)Fig.7　The vertical cross-section of helicity along 21°N at 20∶00 ,September 2,2015(a) and at 8∶00,September 3,2015(b).(unit: 10-6 Pa·s-2)

以上分析表明，垂直方向上的螺旋度在強降水產生期間和產生后量級相差很大，在10-3hPa·s-2左右，這在以后的強降雨預報中有很好的指示作用。

5　小結

①副高西伸北抬過程中，華南低渦右側輻合上升氣流觸發副高邊緣巨大的不穩定能量釋放，為暴雨的發生發展提供了強大的動力和能量條件。

②華南低渦非對稱結構，左側風小，右側風大，低渦右側氣流到達廣西南部時在防城港一帶形成明顯的氣旋性拐點；并且系統深厚，西移過程中發展，為防城港形成大范圍強降雨的產生提供重要的動力抬升作用，有利于增加降雨強度。

③低空急流處于低渦的右側，而低渦右側往往又是水汽供應和輻合抬升集中區域，這種形勢配置非常有利于強降雨的發生；低空急流帶隨著低渦西移而向西移動，強降水出現在低渦的右側和低空急流的左側。

④水汽主要來源地有2個：南海和北部灣；水汽通量梯度較大區域附近往往是強降水中心，也對應水汽通量散度中心。

⑤暴雨期間，垂直上升運動隨著低渦西移而加強，中心強度達到了桂南大暴雨上升運動10-2hPa·s-1量級，為強降雨提供強大的動力。

⑥垂直方向上的螺旋度在強降水產生期間和產生后量級相差很大，在10-3hPa·s-2左右，在強降雨預報中有很好的指示作用。

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Diagnostic Analysis of a Heavy Rainstorm Initiated by the Vortex of South China Moved Westward in Fangchenggang

CHEN Shaohe,HUANG Ying

(Guangxi Fangchenggang Meteorological Bureau, Fangchenggang 538001, China)

Based on the conventional meteorological data and 1°×1°NCEP 6 hour reanalysis data, using synoptic diagnosis method，the reasons of a heavy rainstorm caused by the vortex of South China were diagnosed from the atmospheric circulation situation，physics diagnostic field in Guangxi Fangchanggang in September 3, 2015. The conclusions are as follows:①Large scale rainstorm caused directly by the westward extension of subtropical high which guided the vortex of South China to the west; ②Convergence and upward air current on the right side of the vortex Induced instability energy on the edge of subtropical high to release what can increase rainfall intensity;③The vortex of South China had unsymmertrical structure, small wind speed on left side and high wind speed on right side. The vortex of South China developed in the Western-moving Process and it produced obvious inflection point in Guangxi Fangchanggang.④The belt of low level jet moved westward along with the vortex of South China which moved westward. Heavy precipitation occurred in overlapping area of the right side of the vortex and the left hand side of the low-level jet.⑤The order of magnitude of vertical helicity during and after the strong precipitation differed 10-3hPa·s-2,what is a good indicator in rainstorm forecast.

heavy rainstorm; vortex of South China; edge of subtropical high; low-level jet; helicity

1003-6598(2016)03-0043-06

2015-12-11

陳紹河(1986-)，男，工程師，主要從事短期天氣預報及氣候分析工作,E-mail:csh2005nuist@163.com。

P458.1+21.1

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